3D打印——改变世界的新浪潮

周功耀 / 中国3D打印技术产业联盟副理事长、美国Drexel大学教授 / 2015-11-23

但植物光合作用只需要光、水和空气，光合作用之后形成的生物能源，稍加变化就是燃料。所以，我们希望利用3D打印构造出树叶的结构，模拟光合作用。

3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，以数字三位CAD模型设计文件为基础，运用高能束源或其他方式，直接构造出物体的技术。被称为“一项正在改变世界的浪潮，一个革命性的技术”。

3D打印有什么作用？

总的来说，第一是可以打印任何材料。传统的机械加工，只能用钢、铁、铜，只能用金属，但3D打印机现在任何材料都可以打印，塑料、木材、玻璃、生物材料、彩色石膏、金属、陶瓷、食品材料、建筑材料如水泥，现在都已经不是问题。

第二是可以塑造任何产品，武器、食物（巧克力、肉）服饰甚至房子、桥梁。汽车和飞机以前只能打印外壳，现在，很多内部部件也可以打印，不久的将来，或许就可以一次性打印出整台汽车。所以我说3D打印可以制造任何产品。

第三是它可以应用到任何领域。有人认为3D打印主要用于制造业，但实际不是这样。比如在医疗领域，现在的技术不仅可以模拟人体的骨骼、肌肉和器官，还可以进行生物打印。在科学研究方面，可以用3D打印出虚拟太空用于空间研究；在考古活动中，用3D打印史前物体模型；现在提琴、吉他和笛子这些乐器都可以打印出来。甚至梵高的画，原来是平面的，现在我们用3D打印把它变成立体的。所以，它的应用绝不仅仅是制造工业产品。

第四是任何人群都可以使用3D打印，它改变的是整个社会，而不仅仅是制造业。在以往，技术革命只和工程师、企业有关。但现在，任何人，不管男女老少，都可以接触3D打印。这个技术的发明者美国人xxx把它的整个技术公开放在网上，这叫做开源。任何人都可以下载，自己购买零件来组装。现在的小学生都在使用3D打印机上课了。美国总统奥巴马2012年在美国国务卿会议上说3D打印将来要改变世界，改变美国的经济，他要求把人力、精力、资金用到3D打印上来。在那之后，中国现在也掀起了3D打印的热潮。

一台最简单的3D打印机，20年前在美国可能要卖到几十万美元，但现在只需要几千元人民币， 开始进入人们的家庭。未来，每个家庭都可能拥有一台甚至几台3D打印机，用于打印食品、服装、玩具。而未来的工厂又是什么样子？实际上可能已经不再需要其他机器，不需要各种各样的模具，3D打印机可以用分层堆叠的方式，从二维一层一层地变成三维，作出任何形状的物体来，所见即所得，而传统注模方法形状稍微复杂一点，就很难实现。

医疗实际上是3D打印最有前途的领域。人和物品不同，每个人的身体都不同，要实现真正的个性化医疗，首先要了解病人的身体结构，我们用X光或CT为病人做了透视之后，根据成像用3D打印模拟出病人生病位置或器官的模型，有了这样的实体医疗模型，医生就可以非常直观地进行测量、分析，对症医治。

一个患上气管萎缩的孩子，或者面部骨骼受损的孩子，可以使用3D打印的方法做出人工的气管和骨骼，使损伤得到修复。3D打印可以解决大量类似的问题，很多金属或塑料材料的植入物与人体相斥，采用可生物降解的高分子材料打印的植入物则可以在功能完成后，在体内自动降解，不会造成副作用。缓解老年人心血管堵塞的心脏支架就可以用到这样的技术。目前医疗领域最具创新性的研究是器官打印。

在机械加工领域，目前最好的3D打印机精度可以达到微米和纳米级别。用一台纳米打印机打印的埃菲尔铁塔，直径只有100个微米，而且细节都要打印得很准确。

3D打印前沿速览

3D打印在美国出现的时候，我刚刚在美国取得博士学位，于是就开始研究3D打印。1996年时，我和团队发明了用快速成型技术进行模具制造的方法，论文发表在1998年的美国众多学术期刊和会议中，到了2003年4月，专利得到批准。简单的说，快速成型技术进行模具制造，就是用电脑上的CAD软件设计一个模型，之后将模型用3D打印机打印出真实的立体模型，用金属粉末将实体模型包裹之后，再把模型抽去，留下腔体，经过高温烧制、抛光，金属粉末融合为整体，就变成了模具。把这个模具安装在工业注塑机上，就可以大规模地生产同样形状的产品了。

我们的第二个重要成果，是利用多排多阵列3D打印机技术复杂生物组织的微孔反模快速成型制造，2003年在美国提出来的。多排多阵列3D打印机技术包含多个控制矩阵阵列喷头，可以直接与电脑连接，设计打印多个复杂结构。例如肝脏，毛细血管等复杂生物结构时候，先制作反模，再浇筑有机物，通过去掉反模，快速得到需要的结构。顺便提一下，生物打印材料也很关键，因为现成可用于3D打印的材料不存在，而且要与人体想匹配，最终能够降解，我主要做生物3D打印，所以材料都要自己设计。

目前一个更具创新性的3D打印项目得到了美国自然科学基金的大量资助，我称之为人工光合作用系统的制造过程。这个项目的想法最初来源于全球能源问题。太阳能是很好的资源，但用太阳能板发电，转换率很低，制造过程还会对环境产生影响。但植物光合作用只需要光、水和空气，光合作用之后形成的生物能源，稍加变化就是燃料。所以，我们希望利用3D打印构造出树叶的结构，模拟光合作用。但其实，3D打印完全可以很好地做到。只要喷头设计的足够精细，就可以把每一层打印的很细密，模拟出树叶的管道和分层结构，利用特殊的生物材料，让太阳光、水和二氧化碳在这些结构中进行光合作用，合成人类需要的能量。

现在已经有人专注在做4D打印，简单说一下4D打印的原理，就是3D打印出来的物体，利用其材料特殊性，在被施加一种能量——可以是水、光、电——刺激后，就会发生形状变化。即在三维之上，在时间位移这个第四维上，发生了性状的变化。用3D打印出的薄薄的纸片，浇上水后就变成了摇摆的椅子；一个简单的环形项链，加上能量之后，就出现了漂亮的花纹；一件婚纱太大太复杂，可以把它的形状和褶皱都设计在一个特殊的结构中，3D打印出来只有体积很小，需要用时，用光或电作用一下，就可以展开成为完整的婚纱。这就是4D打印。

结束之前，跟大家讲一个3D打印领域更加令人震惊的革命，那就是CLIP技术，它的问世，可令3D打印速度提升100倍。——传统3D打印技术使用液态树脂逐层堆叠，一层固化后再进行下一层，具有速度慢，表面粗糙等特点。CLIP（Continuous Liquid Interface Production）技术即“连续液界面生产工艺”，利用光和氧气连续地从树脂材料中逐出模型，而非传统的逐层打印。利用这种技术，一个原本要用10个小时打印的物体，可能只需几分钟就能完成。所以现在这个技术拿到了很多投资，很多大的制造厂家对此都欣喜如狂。

（本文由赵川锐根据周功耀11月18日在上海交通大学的演讲整理而成，演讲组织方“德稻演讲”（微信号：detao_lecture）致力于对世界先进文化的采集和传播，与来自25个国家的500多位世界顶级行业冠军人物签约合作，演讲主题包括设计、建筑与艺术、数字媒体和动画、社会与人文、科学与技术、文化与创造力等。）